Física cósmica é simulada dentro de componentes de grafeno

Redação do Site Inovação Tecnológica - 31/01/2022

Alguns dos componentes criados pela equipe (em cima) e efeitos verificados nas finas conexões de grafeno.
[Imagem: Alexey I. Berdyugin et al. - 10.1126/science.abi8627]

Efeito Schwinger

Olhar as coisas com o crivo da mecânica quântica mostrou que o vácuo não é vazio. De fato, pode-se dizer que a matéria é resultado das flutuações do vácuo quântico, com partículas virtuais surgindo e desaparecendo o tempo todo.

Esse efeito foi previsto teoricamente há mais de 70 anos por Julian Schwinger, por isso é conhecido como efeito Schwinger.

As previsões originais eram de que arrancar a matéria do vácuo quântico iria requer campos de força verdadeiramente cósmica, como aqueles encontrados em torno de magnetares ou criados transitoriamente durante colisões de átomos de alta energia.

Mais recentemente, contudo, descobriu-se que é possível reproduzir o efeito Schwinger em condições muito mais amenas, dentro de um laboratório. Com isto foram feitas várias demonstrações experimentais do efeito, incluindo gerar luz a partir do vácuo e, claro, produzir matéria a partir do vácuo.

Em um passo adiante, há cerca de 10 anos uma equipe da Universidade de Michigan, nos EUA, demonstrou teoricamente que seria possível criar matéria e antimatéria a partir do vácuo quântico".

É justamente isso que acabam de fazer Alexey Berdyugin e seus colegas da Universidade de Manchester, no Reino Unido.

Produção de matéria e análogo de antimatéria

Berdyugin e seus colegas construíram diversos componentes, similares a transistores, como eletrodos superfinos e superrredes feitas de grafeno, que permitiram obter campos elétricos excepcionalmente fortes em uma configuração muito simples e pequena.

A produção espontânea de pares de elétrons (cargas negativas) e lacunas (cargas positivas) foi claramente observada e os detalhes de como essa produção ocorreu concordaram bem com as previsões teóricas.

Segundo os pesquisadores, neste caso, as lacunas funcionam como um análogo no estado sólido dos pósitrons, que são as antipartículas dos elétrons e, portanto, têm carga positiva. Ou seja, o experimento produziu tanto matéria (elétrons) quanto antimatéria (análogos de antielétrons) a partir do vácuo quântico.

"Quando vimos pela primeira vez as características espetaculares dos nossos componentes de superrrede, pensamos 'Uau... isso pode ser algum tipo novo de supercondutividade'. Embora a resposta lembre muito de perto o que é observado rotineiramente nos supercondutores, logo descobrimos que o comportamento intrigante não era supercondutividade, mas sim algo no domínio da astrofísica e da física de partículas. É curioso ver esses paralelos entre disciplinas distantes," disse o professor Roshan Kumar.

Surgiu também um fenômeno desconhecido, que ainda merecerá novos estudos para ser totalmente explicado.
[Imagem: Alexey I. Berdyugin et al. - 10.1126/science.abi8627]

Novo fenômeno desconhecido

A equipe também observou outro processo incomum de alta energia, que até agora não tem analogias na física de partículas e nem na astrofísica.

Tudo aconteceu quando eles preencheram o vácuo simulado com elétrons e os aceleraram até a velocidade máxima permitida pelo vácuo do grafeno, que é 1/300 da velocidade da luz.

Nesse ponto, algo aparentemente impossível aconteceu: Os elétrons pareciam se tornar superluminosos, fornecendo uma corrente elétrica mais alta do que o permitido pelas regras gerais da física quântica da matéria condensada.

A hipótese é que esteja havendo uma "geração espontânea" de portadores de carga adicionais, as lacunas positivas. Contudo, a descrição teórica desse processo fornecida pela equipe de pesquisa é bastante diferente da de Schwinger para o espaço vazio, o que exigirá novos experimentos para confirmação.

Por outro lado, os experimentos já demonstraram sua importância para o desenvolvimento de futuros dispositivos eletrônicos baseados em materiais quânticos bidimensionais e estabeleceram os limites da fiação feita de grafeno, que já era conhecida por sua notável capacidade de sustentar correntes elétricas ultraelevadas.

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